GALLIUM-ARZENID: SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, FELHASZNÁLÁSOK, KOCKÁZATOK - KÉMIA - 2025

A gallium-arzenid egy szervetlen vegyület, amely gallium atom elemből (Ga) és arzén atomból (As) áll. Kémiai képlete GaAs. Sötét szürke szilárd anyag, amelynek kék-zöld fémes fénye lehet.

Ennek a vegyületnek a nanoszerkezeteit különféle felhasználási lehetőségekkel nyerték meg az elektronika számos területén. A III-V vegyületeknek nevezett anyagcsoporthoz tartozik, az elemek elhelyezkedése miatt a kémiai periódusos táblában.

GaAs nanoszerkezetek. Сна Сычикова, Сергей Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Forrás: Wikimedia Commons.

Ez egy félvezető anyag, ami azt jelenti, hogy csak bizonyos feltételek mellett képes vezetni az áramot. Széles körben használják elektronikus eszközökben, például tranzisztorokban, GPS-ben, LED-es lámpákban, lézerekben, táblagépekben és okostelefonokban.

Jellemzői lehetővé teszik a fény könnyű elnyelését és elektromos energiává történő átalakítását. Ezért műholdak és űrjárművek napelemeiben használják.

Ez lehetővé teszi a különféle anyagokon és élő szervezeteken áthatoló sugárzás létrehozását anélkül, hogy kárt okoznának. Megvizsgálták egy olyan típusú GaAs lézer alkalmazását, amely regenerálja a kígyóméreg által károsított izomtömeget.

Ez azonban mérgező vegyület és rákot okozhat emberekben és állatokban. A hulladéklerakókban elhelyezett elektronikus berendezések veszélyes arzént bocsáthatnak ki, és károsak lehetnek az emberek, az állatok és a környezet egészségére.

Szerkezet

A gallium-arzenid aránya 1: 1 a periódusos rendszer III. Csoportja és az V. csoport eleme között, ezért nevezzük III-V vegyületnek.

Intermetallikus szilárd anyagnak tekintik, amely arzénből (As) és galliumból (Ga) áll, Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ és Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) közötti oxidációs állapotokkal.

Gallium-arzenid kristály. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Forrás: Wikimedia Commons.

Elnevezéstan

• Gallium-arzenid
• Gallium monoarsenide

Tulajdonságok

Fizikai állapot

Sötét szürke kristályos szilárd anyag, kék-zöld fémfény vagy szürke por. Kristályai köbös.

GaAs kristályok. Bal: csiszolt oldal. Jobb: durva oldal. Anyagtudós az angol Wikipedia-ban / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Forrás: Wikimedia Commons.

Molekuláris tömeg

144,64 g / mol

Olvadáspont

1238 ° C

Sűrűség

5,3176 g / cm ³ 25 ° C-on

Oldhatóság

Vízben: kevesebb, mint 1 mg / ml 20 ° C-on.

Kémiai tulajdonságok

Van hidrátja, amely sav sókat képezhet. Száraz levegőn stabil. Nedves levegőn elsötétül.

Reagálhat gőzzel, savakkal és savas gázokkal, mérgező gázt bocsátva ki, amelyet arzinnak, arzánnak vagy arzénhidridnek (AsH ₃) hívnak. Reagál hidrogéngázt kibocsátó bázisokkal.

Koncentrált sósav és halogének támadják meg. Megolvasztva megtámadja a kvarcot. Ha nedves lesz, akkor fokhagyma illatot bocsát ki, és ha bomlik, akkor nagyon mérgező arzén gázokat bocsát ki.

Egyéb fizikai tulajdonságok

Ez egy félvezető anyag, ami azt jelenti, hogy elektromos áramvezetőként vagy szigetelőként viselkedik attól függően, hogy milyen feltételeknek van kitéve, mint például az elektromos mező, a nyomás, a hőmérséklet vagy a sugárzás.

Hézag az elektronikus sávok között

Az energiarés szélessége 1424 eV (elektron volt). Az energiarés, a tiltott sáv vagy a sávszélesség szélessége az atom elektronhéjainak közötti tér.

Minél szélesebb az energiarés, annál nagyobb az energia ahhoz, hogy az elektronok a következő héjhoz való „átugráshoz” és a félvezető vezetési állapotba való váltásához vezetjenek.

A GaA-k szélesebb energiarésével rendelkezik, mint a szilícium, és ezáltal nagyon ellenáll a sugárzásnak. Ez is egy közvetlen rés szélesség, tehát hatékonyabban bocsáthat ki fényt, mint a szilícium, amelynek rés szélessége közvetett.

beszerzése

Ezt úgy lehet előállítani, hogy hidrogén (H ₂) és arzén gáznemű keverékét táplálják át gallium (III) -oxidon (Ga ₂ O ₃) 600 ° C-on.

Ez úgy is előállíthatjuk, amelyek a következő reakcióegyenlet gallium (III) -klorid (GaCl ₃) és az arzén-oxid (A ₂ O ₃), 800 ° C-on

Használat napelemekben

A gallium-arzenidet az 1970-es évek óta használják a napelemekben, mivel kiemelkedő fotovoltaikus tulajdonságaival rendelkezik, amelyek előnyt biztosítanak más anyagokkal szemben.

Sokkal jobb, mint a szilícium, amikor a napenergiát villamos energiává alakítja, és több energiát szállít magas hő vagy gyenge fényviszonyok között - ez a két általános tényező, amelyet a napelemek viselnek, ha megváltoznak a világítási szint és a hőmérséklet.

Ezen napelemek egy részét napelemes járművekben, űrjárművekben és műholdakban használják.

GaAs napelemek egy kis műholdason. Egyesült Államok Haditengerészeti Akadémia / közkincs. Forrás: Wikimedia Commons.

A GaA-k előnyei ehhez az alkalmazáshoz

Ellenáll a nedvességnek és az ultraibolya sugárzásnak, ami tartósabb a környezeti feltételekkel szemben, és lehetővé teszi repülési célú felhasználását.

Alacsony hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik, így magas hőmérsékleten nem veszíti el hatékonyságát, és ellenáll a magas felhalmozódott sugárzási dózisoknak. A sugárzási károk csak 200 ° C hőmérsékleten történő edzéssel távolíthatók el.

Magas fény fotonok abszorpciós koefficiense, tehát nagy teljesítményű gyenge fényben, vagyis nagyon kevés energiát veszít, ha rossz a napfény.

A GaAs napelemek hatékonyak még gyenge fényviszonyok között is. Szerző: Arek Socha. Forrás: Pixabay.

Területenként több energiát termel, mint bármely más technológia. Ez akkor fontos, ha van egy kis területe, például repülőgép, jármű vagy kis műholdas terület.

Ez egy rugalmas és kis súlyú anyag, nagyon vékony rétegekben történő alkalmazás esetén is hatékony, így a napelem nagyon könnyű, rugalmas és hatékony.

Napelemek űrjárművekhez

Az űrprogramok több mint 25 éve használják a GaAs napelemeket.

A GaA-k kombinációja a germánium, az indium és a foszfor más vegyületeivel lehetővé tette a nagyon hatékony napelemek előállítását, amelyeket olyan járművekben használnak, amelyek felfedezik a Mars bolygó felületét.

A Marson lévő Curiosity rover művész verziója. Ez a készülék GaAs napelemekkel rendelkezik. NASA / JPL-Caltech / Nyilvános. Forrás: Wikimedia Commons.

A GaA-k hátránya

A szilíciumhoz képest nagyon drága anyag, amely a földi napelemekben való gyakorlati alkalmazásának fő akadálya.

Ugyanakkor tanulmányozzák a rendkívül vékony rétegekben való alkalmazásuk módszereit, amelyek csökkentik a költségeket.

Használat elektronikus eszközökben

A GaAs többféle felhasználást kínál különféle elektronikus eszközökben.

Tranzisztorokban

A tranzisztorok olyan elemek, amelyek többek között az elektromos jelek erősítésére, valamint az áramkörök nyitására vagy bezárására szolgálnak.

A tranzisztorokban használt GaAs-k nagyobb elektronikus mobilitással és nagyobb ellenállással rendelkeznek, mint a szilícium, tehát elviselik a nagyobb energia és magasabb frekvencia körülményeit, kevesebb zajt generálva.

A teljesítmény erősítésére használt GaAs tranzisztor. Epop / CC0. Forrás: Wikimedia Commons.

GPS-en

Az 1980-as években ennek a vegyületnek a használata lehetővé tette a Globális Helymeghatározó Rendszer vagy a GPS (Global Positioning System) vevők miniatürizálását.

Ez a rendszer lehetővé teszi egy tárgy vagy személy helyzetének az egész bolygón történő meghatározását centiméter pontossággal.

A gallium-arzenidet a GPS-rendszerekben használják. Szerző: Foundry Co. Forrás: Pixabay.

Optoelektronikai eszközökben

A viszonylag alacsony hőmérsékleten előállított GaAs filmek kiváló optoelektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a nagy ellenállás (a vezetőké váláshoz nagy energiát igényelnek) és a gyors elektronátvitel.

Közvetlen energiarése lehetővé teszi az ilyen típusú készülékekben való felhasználást. Olyan eszközök, amelyek átalakítják az elektromos energiát sugárzó energiává vagy fordítva, például LED-es lámpák, lézerek, detektorok, fénykibocsátó diódák stb.

LED zseblámpa. Tartalmazhat gallium-arsenidet. Szerző: Hebi B. Forrás: Pixabay.

Különleges sugárzás esetén

Ennek a vegyületnek a tulajdonságai arra késztették a felhasználását, hogy terahertz frekvenciájú sugárzást generáljon, amely olyan sugárzás, amely mindenféle anyagon áthatolhat, kivéve a fémeket és a vizet.

Mivel nem ionizáló, a Terahertz sugárzás felhasználható orvosi képek készítésére, mivel nem károsítja a test szövetét, vagy nem változtat a DNS-ben, mint a röntgen.

Ezek a sugárzások lehetővé teszik az emberekben és a poggyászban rejtett fegyverek felismerését, felhasználhatók a kémiai és biokémiai spektroszkópiai elemzési módszerekben, és segíthetnek a nagyon régi épületekben rejtett műalkotások feltárásában.

Lehetséges orvosi kezelés

Bebizonyosodott, hogy egy GaAs lézer egyfajta kígyóméreg által károsított izomtömeg regenerációjának fokozása az egerekben. Ugyanakkor vizsgálatokra van szükség annak hatékonyságának meghatározására az emberekben.

Különböző csapatok

Félvezetőként használják mágneses ellenállású készülékekben, termisztorokban, kondenzátorokban, fotoelektronikus száloptikai adatátvitelben, mikrohullámokban, műholdas kommunikációs eszközökben használt integrált áramkörökben, radarrendszerekben, okostelefonokban (4G technológia) és táblagépekben.

Az okostelefonok elektronikus áramkörei tartalmazhatnak GaA-kat. Szerző: Arek Socha. Forrás: Pixabay.

kockázatok

Nagyon mérgező vegyület. Az anyag hosszantartó vagy ismételt kitettsége a testet károsítja.

Az expozíció tünetei között szerepel többek között hipotenzió, szívelégtelenség, rohamok, hipotermia, bénulás, légúti ödéma, cianózis, májcirrózis, vesekárosodás, hematuria és leukopénia.

Rákot okozhat és károsíthatja a termékenységet. Mérgező és rákkeltő az állatok számára is.

Veszélyes hulladék

A GaA-k elektronikai eszközökben való egyre növekvő használata aggodalmakat vet fel ezen anyag környezeti sorsa, valamint a közegészségügyre és a környezetre gyakorolt ​​lehetséges kockázata miatt.

Lassan fennáll az arzén (mérgező és mérgező elem) kibocsátásának veszélye, ha a GaA-t tartalmazó eszközöket a települési szilárd hulladéklerakókba helyezik.

A tanulmányok azt mutatják, hogy a hulladéklerakókban a pH és a redox körülmények fontosak a GaAs korrózió és az arzén felszabadulás szempontjából. PH = 7,6 mellett és normál oxigén atmoszférában ennek a mérgező metalloidnak legfeljebb 15% -a szabadulhat fel.

Az elektronikus berendezéseket ne dobja a hulladéklerakókba, mivel a GaA-k felszabadíthatják a mérgező arzént. Szerző: INESby. Forrás: Pixabay.

Irodalom

1. Az Egyesült Államok Nemzeti Orvostudományi Könyvtára. (2019). Gallium-arzenid. Helyreállítva a pubchem.ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Fém nanoszerkezetek napelemekhez. A napelemes alkalmazások nanomatermékeiben. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
3. Ramos-Ruiz, A. és mtsai. (2018). A gallium-arzenid (GaAs) kimosódási viselkedése és felületi kémiai változásai a pH és az O ₂ függvényében. Waste Management 77 (2018) 1-9. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. Anyag enciklopédia: Tudomány és technológia. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Kemény vékony fóliák. GaAs film. Tulajdonságok és gyártás. Csiszolásgátló nanocoatings-ban. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
6. Lide, DR (szerkesztő) (2003). CRC kémia és fizika kézikönyve. 85 ^-én CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: újabb játékos a félvezető technológiában. Helyreállítva az allaboutcircuits.com webhelyről.
8. Silva, LH és mtsai. (2012). A GaAs 904 nm-es lézeres besugárzás javítja a miofibrasúly visszanyerését a vázizmok regenerációja során, amelyet korábban a krotoxin károsított. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Helyreállítva a link.springer.com webhelyről.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Nagyteljesítményű ultravékony GaAs napelemek, amelyek heterogénen integrált dielektromos periódusos nanoszerkezetekkel működnek lehetővé. ACS Nano. 2015. október 27.; 9 (10): 10356-65. Helyreállítva az ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.
10. Tanaka, A. (2004). Az indium-arzenid, a gallium-arzenid és az alumínium-gallium-arzenid toxikussága. Toxicol Appl Pharmacol. 2004. augusztus 1.; 198 (3): 405-11. Helyreállítva az ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.